电源频率对发电机定子线棒介质损耗测量的影响研究

刘　伟，梁智明，王学军，胡　波

(1. 东方电气集团东方电机有限公司； 2. 明源电力集团德为电力有限责任公司， 四川德阳　618000)

电源频率对发电机定子线棒介质损耗测量的影响研究

刘伟1，梁智明1，王学军2，胡波1

(1. 东方电气集团东方电机有限公司； 2. 明源电力集团德为电力有限责任公司， 四川德阳618000)

摘要：从绝缘材料介质损耗的基本定义和理论分析出发，采用工业电网50 Hz电源及由变频器提供的50 Hz及60 Hz电源，分别对绝缘材料进行介质损耗测试及局部放电试验，得出了工业电网电源及变频器电源对介质损耗影响不明显及局部放电影响不明显的结果，从而指出可以采用50 Hz电气试验设备对额定电源频率为60 Hz的发电机进行生产过程中的电气试验的结论。

关键词：发电机；绕组；绝缘；介质损耗

0引言

我国制造的大型发电机组都采用电源频率50 Hz的试验设备进行出厂检测及验收试验。国外有些国家的民用电源频率为60 Hz。为了保证出口产品质量，需要对50 Hz和60 Hz这两种不同的试验电源频率对发电机定子线棒介质损耗测试的影响进行系统研究。

1介质损耗

1.1　介质损耗的定义

介质损耗是指电介质在外电场的作用下的能量损耗，由电能转变为其它形式的能量，如热能、光能等，统称为介质损耗。任何电介质(绝缘材料)在电压作用下，都有能量损耗。介质损耗会使电介质温度上升，损耗越大，温度越高。如果介质温度高达使绝缘体熔化、烧焦，那么就会失去绝缘性能而造成所谓热击穿。因此，介质损耗是电气设备的绝缘监测中衡量绝缘水平的一项重要指标[1]。

1.2　介质损耗的形式

介质损耗的形式主要有电导损耗、极化损耗和游离损耗

1.2.1电导损耗

在电场作用下，介质中会有泄漏电流流过，引起电导损耗。固体电介质中的电导损耗与它的结构有关。 电导损耗，实质是相当于交流、直流电流流过电阻做功，故在这两种条件下都有电导损耗。绝缘良好时，固体电介质在电场作用下的电导损耗是很小的，是随温度的增加而急剧增加的。

1.2.2极化损耗

当电介质突然受到静电场的作用时，往往要经过一段时间(称为弛豫时间)极化强度才能达到其最终值。这种现象称为极化弛豫。一般说来，位移极化值在瞬间即可达到。极化弛豫主要是由于取向极化所造成的[2]。如果介质受交变电场的作用，而交变电场的改变相当迅速时，极化就会追随不及而滞后，从而成为介电损耗的原因之一，并且导致了动态介电常数和静态介电常数之间的不同。由极化滞后引起的介电损耗就是指在某一频率范围内供给电介质的能量，有一部分消耗在强迫固有偶极距转动上，并变为热能消失掉。极化损耗与温度、电场频率有关。在某种温度或某种频率下，损耗都有最大值。

1.2.3游离损耗

固体电介质内部气隙在外电场作用下产生局部放电引起的功率损耗称为游离损耗。

2理论分析

在正弦交变电场作用下，固体电介质的损耗主要由电子位移极化和松弛极化产生。此时，电场强度E随时间t的变化关系可由下式表示：

E(t)=Emeiωt

那么通过电介质的电流密度j可以通过“重叠原理”求得：

式中：g为与电场强度无关的常数；ti为增加电场ΔEi的时刻；t为计算电流密度的时刻；ΔEi为在t=ti时，介质上的电场强度增量：

式中：ja为电流密度有功分量；jb为松弛极化引起的电流密度无功分量；τ为松弛极化的松弛时间。

实际上，固体介质中还存在与电场同相位变化的电导电流(有功分量)为：

jr=γEmeiωt

而正弦交变电场下位移极化引起的无功电容电流为：

jc=iωε∞Emeiωt

因此，介质损耗可表示为：

1) 当外加电场频率很低，即ωτ≪1时， 介质的各种极化都能跟上外加电场的变化，此时不存在极化损耗，介电常数达最大值。则当ωτ→0，tanδ→∞。随着ω的升高，tanδ减小。

2) 当外加电场频率逐渐升高时，松弛极化在某一频率开始跟不上外电场的变化，松弛极化对介电常数的贡献逐渐减小。在这一频率范围内，由于ωτ≈1，故随升高而增大。

3) 当ω很高时，介电常数仅由位移极化决定，趋于最小值。此时由于ωτ≫1，此时tanδ随ω升高而减小。ω→∞时，tanδ→0。

然而，位移极化时间很快，仅有10-15～10-14s，而松弛极化的建立也需要10-7～10-2s。对于50 Hz和60 Hz的电源频率，适用于ωτ≈1，代入上式中可得tanδ的变化仅增长0.11%，这对于实际测试结果影响可以忽略。

3试验标准分析

1) IEC 60060-1—2010 《高电压试验技术要求》中第6.2.1.1节对交流试验电压规定：

耐电压采用工频试验电压，频率范围45~65 Hz。

2) 国标GB/T 16927.1—2011 《高电压试验技术 一般试验要求》(IEC60-1：2010,MOD)，第6.2.1.1节电压波形规定：

考虑到60 Hz对我国电网不适用，故将试验电压频率范围定为45～55 Hz的交流电压，通常称为工频试验电压，以便与GB311.1相一致。

3) 国标GB 755—2008 《旋转电机 定额和性能》(IEC 60034—1：2004，IDT)，9.2条耐电压试验中规定：

试验电压应为工频电压，并尽可能为正弦波形。

4) 国标GB/T 7064—2008《隐极同步电机技术要求》(IEC 60034—3：2007，MOD)，4.10.3条耐电压试验中规定：耐电压试验方法见JB/T 6204，即交流工频耐压，时间历时1 min。而IEC 60034—3规定交流试验电压的频率为工频±2%。

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5) IEEE std 286对频率的要求为工频。

从以上各标准的规定可看出，对于交流耐电压试验，50 Hz与60 Hz可以等效。

因此，采用变频电源供电的方式，将国内商业用50 Hz电源变频至60 Hz(设备允许输出频率为45～70 Hz之间的电压)，通过对不同频率下试样的介质损耗和局部放电测量值的对比，进一步验证实际测量过程中电源频率对介质损耗的影响。

4变频电源输出的波形质量

用示波器记录变频电源输出的波形，如图1、2所示，在空载和负载情况下的波形均为实际正弦波。

图1　50 Hz电源波形

图2　变频器输出50 Hz电源波形

5变频电源对试样介质损耗的影响

1) 分别采用工频50 Hz电源和通过变频电源提供的50 Hz电源测试同一只线棒的介损与电压的关系，通过介损曲线分析使用变频电源后对介损试验有无影响。

2) 接入变频电源后改变电源输出频率，在不同频率下测试同一只线棒的介损与电压的关系，比较不同频率下的介损变化曲线，观察不同的频率对试验线棒介损的影响情况。

(a) 试验线棒在接入变频器和不接入变频器下的工频介损测试数据如图3所示。

图3　工频及变频电源50 Hz下的介质损耗测试

图4　不同频率下的介质损耗测试

图5　主绝缘材料介电图谱

3) 主绝缘材料的介质损耗和介电系数，如图5，随着频率的增加逐渐降低，平稳下降。在低频下(小于100 Hz)，介电系数和介质损耗对频率不敏感，在工频范围内(50 Hz，60 Hz)，可以忽略频率对介质损耗和介电系数的影响，但对温度较敏感。

4) 介质损耗测量结果表明线棒绝缘的介质损耗：

(a) 使用变频电源研究不同频率对介质损耗测量的影响研究方案可行；

(b) 50 Hz与60 Hz对介质损耗影响不明显。

5结语

1) 在接入和不接入变频电源的工频电压下所

测介损曲线基本相同，50 Hz与60 Hz对介质损耗测量影响不明显；

2) IEC 60060-1—1989 《高电压试验技术要求》规定耐电压采用工频试验电压，频率范围45～65 Hz；

3) 综合对比，对于出口国外60 Hz、60万汽发定子试验线棒在国内进行的电气试验，统一采用50 Hz电源进行测量。

参考文献

[1] 王绍禹,周德贵.大型发电机绝缘的运行特性与试验[M].北京：水利电力出版社,1992.12.

[2] 邱昌容.电气绝缘测试技术[M].北京：机械工业出版社，2001.11.

[3] GB/T 1409—1988，中国标准出版社，固体绝缘材料在工频、音频、高频(包括米波长在内)下相对介电常数和介质损耗因数的试验方法[S].

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